NHBB機器人用軸承的技術趨勢與特點
后疫情時代，機器人市場異常活躍，需求量日益高漲。機器人技術涉及到各種類型的機械設備（例如減速齒輪），應用到很多軸承。NHBB制造各種適用于機器人的軸承。
1 引言
機器人大致分為工業機器人、野戰機器人和服務機器人
工業機器人用于許多生產工廠，包括汽車、電氣和電子設備。到目前為止，這種機器人主要從事相對簡單的重復性工作，但是需要努力實現更先進的生產和自動化水平。日本企業的工業機器人競爭激烈，預計未來將利用這一優勢進一步發展。此外，野戰機器人在農田、海洋、災害現場等戶外作業。因此，期待開發出投入現場充分發揮作用的機器人。服務機器人在福利、醫療、護理等家庭、職場、與人交流等環境中使用。近年來，通過準確捕捉用戶需求（例如提高服務行業的生產率和保護醫療服務領域工人的安全等），預計機器人的使用率將會提高。我們期待下一代機器人的應用領域會擴大。

在全**，機器人用作代替人類工作的機器，預計這是一個很具發展前景的領域。NHBB制造各種機器人用軸承，本文介紹工業機器人軸承的技術動向、適用部位及其特點。

2 工業機器人的市場需求

工業機器人除了具有對確定位置的物體進行精確抓取和工作的基本功能外，還能廣泛滲透到工業領域。①性價比優越；②可獲得與目標工作相適應的精度和運動，且易于進行教學和糾正操作（精度和可操作性）；③體積小、重量輕、安裝空間小（節省空間）；④需要保持較高的線路可用性（可靠性和可維護性）。

近年來，在工業領域中，越來越需要使用機器人進行自動化操作以補償制造現場勞動力的短缺，并穩定產品質量。例如，由于與loT（物聯網）相關的需求增加，裝配和運輸過程中對機器人的需求正在增加，主要集中在智能手機、汽車相關行業和電子元件相關行業的資本投資上。此外，與人合作的協作機器人的需求也在上升，工業機器人的市場規模也在擴大。在這些背景下，對工業機器人的性能要求比以往任何時候都多。①通過縮短作業時間提高生產率；②在工件轉移過程中，通過提高機器人剛度、改進定位和重復性，實現精密的加工性；③通過縮小機器人的尺寸和減少安裝面積來保障工作區域的安全性；④隨著市場需求的增加，通過延長維修間隔來提高可維護性。表1給出近年來工業機器人所需性能的市場趨勢。

減速齒輪和氣體平衡器等設備安裝在工業機器人上，軸承用于運動部件。在這些市場趨勢下，人們越來越強烈地要求軸承比以往任何時候都更緊湊、剛度更高、承載能力更高、使用壽命更長。

3 工業機器人的結構和軸承的應用部分

3.1 工業機器人的結構

工業機器人種類很多，**典型的是能進行與人從肩膀到手腕相同運動的垂直關節機器人（圖2）。當操作帶有重物的機器人時，每個關節驅動裝置都需要很大的扭矩，因此使用減速齒輪，來放大伺服電機的輸出扭矩。特別是，大型機器人包含平衡器。該平衡器在與重力負載相反的方向上產生平衡力，作為輔助伺服電機的動力，并有助于節能。

3.2 工業機器人減速器和軸承應用部分

近年來，機器人尺寸多樣化，并且可以根據尺寸適當地使用精密減速齒輪。本文以適合大尺寸的①偏心差動式減速器和適合小尺寸的②波形齒輪減速器為例，說明軸承應用部分。

①偏心差動式減速器

偏心差動式減速齒輪的一個例子是由NABTESCO公司制造的精密減速齒輪RV。圖3顯示精密減速齒輪RV的結構。該減速器由直齒輪一級減速器和帶銷齒輪機構的偏心擺動式二級減速器組成。當曲軸旋轉一圈時，RV齒輪偏心移動，通過與內齒輪齒數差沿與輸入方向相反的方向旋轉，這是一種輸出機制。因為嚙合齒數多、齒隙小、振動小、扭矩傳遞平穩準確，所以該結構具有重量輕、剛性高、防過載能力強的特點。

該減速器曲軸偏心部分采用滾針軸承，軸頸部分采用圓錐滾子軸承，要求各軸承具有高剛性、高承載能力的特點。此外，主軸承采用薄壁角接觸球軸承，要求高剛度（力矩剛度）以保證定位精度，這是機器人的一個重要特點。

②波形齒輪減速器

波形齒輪減速器主要使用了小型減速器結構（外徑100mm以下）。圖4顯示結構示意圖。一個帶有薄壁彈性球軸承的橢圓軸插入一個薄壁彈性齒輪中，切斷一個薄而柔韌的金屬環，并與長軸側的厚而剛性的內齒輪接觸。這是一種獨特的減速機制，可充分利用彈性變形。圖5顯示工作原理。在內齒輪固定的情況下，橢圓軸順時針轉動一圈，薄壁彈性齒輪逆時針旋轉，轉數由薄壁彈性齒輪與內齒輪之間的齒數差決定（例如，2個薄壁彈性齒輪轉數較少）。這是一種薄壁彈性齒輪逆時針轉動并將其作為輸出的機制。應當指出的是，圖5所示的橢圓軸是半旋轉的，其中一個薄壁彈性齒輪逆時針移動。除了具有同軸、簡單和緊湊的特征之外，該減速齒輪還可以獲得1/30至1/320的大減速比。此外，由于兩個齒面同時進入楔形嚙合，因此沒有齒隙，嚙合比大，齒輪誤差平均，角度傳動精度高，扭矩容量大。

在薄壁彈性球軸承中，拉伸壓縮應力幅度反復作用在外圈外徑表面上，除了伴隨內部橢圓變形的預加載外，扭矩傳遞作用引起的嚙合反作用力也起作用。設計薄壁彈性球軸承時，使外圈的裂紋疲勞強度和滾動疲勞壽命兼容很重要。此外，在選擇能承受高應力幅度的**厚度和熱處理規范后，還必須計入角部形狀、表面粗糙度、表面殘余應力等。

圖6顯示機器人用平衡器的結構示例。在機器人的手臂伸展和收縮時，該設備用于輔助伺服電機的動力并節省電力。近年來，由于要求緊湊性，平衡器從線圈型轉換為氣體型，并且要求緊湊性和高負載能力。此外，對高可用性的需求也要求延長維護間隔。

考慮到該平衡器桿缸支撐部分的嵌入性，可以使用自調心滾子軸承。在該應用中，由于載荷大且搖擺角度小，難以形成油膜，并且除了承載能力大以外，還需要選擇計入異常磨損和微動損壞的軸承。

4 工業機器人軸承的技術趨勢和特點

4.1 工業機器人軸承的技術趨勢

如上所述，工業機器人軸承的應用場所主要是減速齒輪和平衡器。這些軸承要求“緊湊”、“高剛性”、“高承載能力”和“長壽命”。特別是，盡管使軸承緊湊很重要，但是也意味著由于橫截面積的減小，滾動元件的尺寸也減小了，這導致剛性、承載能力和壽命降低。換句話說，在緊湊化、高剛性、高負載能力和長壽命之間存在折衷。對于軸承，重要的是在不降低剛性、承載能力和壽命的情況下實現緊湊性。表2顯示工業機器人軸承要求的性能。

機器人減速齒輪要求高剛性、高輸出扭矩、高效率等，但還往往要求緊湊性。用于主軸的角接觸球軸承要求具有剛性、薄壁等特點，同時確保使用壽命。用于曲軸的滾針軸承要求節省空間并且具有高剛性和高負載能力。此外，機器人平衡器除了要求緊湊性外，還要求高可靠性；用于桿式氣缸支撐的自調心滾子軸承要求具有長壽命性能。為響應**近的技術趨勢，NHBB設計和開發各種軸承以滿足市場需求。
4.2 角接觸球軸承的緊湊化

NHBB設計、制造和銷售用于精密減速齒輪主軸的緊湊型薄壁角接觸球軸承。
圖7顯示與79系列標準產品橫截面的比較（每個軸承外徑尺寸統一設計）。NHBB的薄壁角接觸球軸承，作為截面比，在徑向上節省了約30％的空間，在軸向上節省了約25％的空間，并且作為質量比，重量減輕約55％，實現了顯著的小型化。


為了實現緊湊化，必須減小軸承套圈的厚度，而這使得制造過程中軸承套圈變形（扭轉、翹曲）成為主要問題。NHBB建立專有的加工技術（包括優化抑制變形的熱處理條件），實現薄壁角接觸球軸承的批量生產（圖8）。

此外，關于對剛度（力矩剛度）和壽命（滾動疲勞壽命）的權衡方面，為了增加力矩剛度，增加軸承的工作點距離，我們建立了一種優化的設計技術，可以抑制軸承內部的接觸應力，并且不會縮短壽命。圖9顯示力矩剛度比、壽命比與預加載比的關系。可以看出，與79系列標準產品相比，盡管薄壁角接觸球軸承更緊湊，但滾動疲勞壽命相當，并且力矩剛度提高了約40％。

4.3 滾針軸承的高剛性與高承載能力

NHBB已經銷售用于精密減速齒輪曲軸的高剛性、高承載能力的滾針軸承（HWT（J）型）。

表3給出HWT（J）型和標準規范（PK型）的比較情況。HWT（J）的主要特點是，與PK型相比，通過消除保持架內徑側的支柱，可以增加滾子的數量，從而實現高剛性、高承載能力和長壽命等性能（表4）。

此外，通過對滾子表面進行碳氮共滲，可以增強潤滑油中異物咬合引起的表面損傷和滾動接觸表面上的油膜破裂，這也有助于提高可靠性和軸承壽命。
4.4 自調心滾子軸承的長壽命化

NHBB開發了Altage系列“EA型”自動調心滾子軸承，用于機器人平衡器的桿缸支撐。與NHBB常規產品相比，“EA型”的承載能力（基本額定動載荷）提高65%（圖10），達到****水平（圖11）。此外，在“Altage”系列中，有密封型（WA型）的排列，兩側都有密封件（圖12），可以封裝和運輸具有優異耐磨損和耐摩擦性能的特殊潤滑脂，有助于提高可維護性和軸承壽命。

5 小結

NHBB制造多種機器人用軸承。本文介紹了工業機器人用軸承的技術趨勢和特點。未來，隨著應用領域的大發展，機器人的需求將隨之擴大，我們將像大家熟悉的那樣更加活躍。NHBB將繼續開發和改進機器人軸承，為機器人行業的發展做出貢獻。